CN105340128B - 接收天线和包括该接收天线的无线功率接收装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的实施例的无线充电的无线功率接收装置的接收天线包括：基板；软磁层，堆叠在所述基板上，包含软磁材料，并且具有预定间隔的间隙；以及线圈，堆叠在所述软磁层上，并且接收从无线功率发送装置发送的电磁能。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电，并且更具体地讲，涉及用于无线充电的接收天线以及包括该接收天线的无线功率接收装置。
背景技术
无线功率收发技术是这样一种技术，其无线地提供电力到电子装置并且可以多样化地应用于家用电子产品的电源和电动汽车或地铁列车的电源以及便携终端的电池充电。
需要使无线功率发送装置与无线功率接收装置之间的功率损失最小化以增加功率收发效率。为此，发送天线和接收天线可以互相设置在有效距离内。另外，软磁材料可以设置成围绕发送天线和接收天线以聚集从发送天线朝着接收天线发送的电磁能。
同时，无线功率接收装置可以包括同时具有无线功率转换(WPC)功能和近场通信(NFC)功能的模块。WPC功能在低频工作，并且NCF功能在高频工作。因此，用于接收天线的软磁材料需要具有在高频和低频的低损耗特征。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种使磁损耗最小化的接收天线以及包括该接收天线的无线功率接收装置。
技术方案
根据本发明的实施例，一种无线充电的无线功率接收装置的接收天线包括：基板；软磁层，堆叠在所述基板上，包含软磁材料，并且具有预定间隔的间隙；以及线圈，堆叠在所述软磁层上，并且接收从无线功率发送装置发送的电磁能。
所述接收天线可以进一步包括支撑夹具，所述支撑夹具支撑所述软磁层并且设置在所述基板与所述软磁层之间。
所述线圈可以在与所述软磁层平行的方向上卷绕在所述软磁层上，并且设置在两个间隙之间的所述线圈的至少一部分可以设置成与所述间隙平行。
所述软磁层可以包括由所述间隙分隔开的多个子软磁层。
每个所述子软磁层的宽度可以是所述软磁层的厚度的1至50倍。
每个所述子软磁层可以形成有0.02mm至5mm的宽度。
每个所述子软磁层可以形成有0.02mm至1mm的宽度。
所述软磁层可以是金属带(metallic ribbon)。
所述金属带可以是纳米晶金属带。
所述间隙可以填充有丙烯酸酯基树脂。
根据本发明的另一个实施例，一种无线充电的无线功率接收装置，包括：基板；软磁层，堆叠在所述基板上，包含软磁材料，并且具有预定间隔的间隙；线圈，堆叠在所述软磁层上，并且接收从无线功率发送装置发送的电磁能；电路单元，与所述线圈连接，并且将所述电磁能转换成电能；以及存储单元，用于存储所述电能。
有益效果
根据本发明的实施例，可以增加无线功率接收装置中接收天线的电磁能聚集的性能，并且因此可以使无线功率收发效率最大。
另外，在高频和低频的饱和磁化很高并且磁损耗最小，并且因此可以获得同时保证NFC性能和WPC性能的无线功率接收装置。
另外，可以甚至以薄的厚度获得所需标准的电磁能聚集效果，并且因此本发明可以应用于轻薄趋势的各种电子装置，例如TV、便携式终端、笔记本电脑、平板电脑等。
另外，根据本发明的实施例的无线功率接收装置具有出色的电磁能聚集性能并且可以使用廉价的材料，并且因此，可以应用于大量应用领域，例如电动汽车、地铁列车等。
附图说明
图1是图示了根据本发明的实施例的无线功率收发系统的框图。
图2是图示了无线功率发送装置的一部分的示意图。
图3是图示了无线功率接收装置的一部分的示意图。
图4是图示了通用软磁层和接收线圈的示意图。
图5是图示了根据本发明的实施例的软磁层和接收线圈的示意图。
图6是图示了根据本发明的实施例的无线功率接收装置中包括的接收天线的剖视图。
图7是图示了根据本发明的实施例的以5mm、1mm和0.5mm的间隔形成间隙的软磁层的俯视图。
图8是图示了基于间隙的间隔和频率的非晶形金属带的损耗率的测量结果的曲线图。
图9是图示了基于间隙的间隔和频率的纳米晶金属带的损耗率的测量结果的曲线图。
具体实施方式
尽管发明构思易受各种修改和替代形式的影响，但是其具体实施例在附图中以示例方式示出并且在本文中进行详细描述。然而，应当理解，并非旨在将发明构思限制于公开的特定形式，而是相反，发明构思涵盖落入发明构思的精神和范围内的所有修改、等效形式和替代方式。
应当理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述多种部件，但是这些部件应当不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于使一个部件与另一个部件区分开。因此，在不脱离发明构思的教导的情况下，以下讨论的第一部件可以叫做第二部件，并且以下讨论的第二部件可以叫做第一部件。“和/或”包括一个或多个提及的项目的每个和所有组合。
应当理解，当元件被称为与另一个元件“连接”或“耦接”时，它可以与另一个元件直接连接或耦接，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为与另一个元件上“直接连接”、“直接耦接”时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当用相同的方式进行理解(即，“...与...之间”与“...与...直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
本文中用于描述发明构思的实施例的术语并非旨在限制发明构思的范围。以单数指代的发明构思的元件可以是一个或多个，除非上下文另有明确指示。还将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“具有”等指的是存在所述的特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合，但是不排除存在或增加一个或多个其他的特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
除非另有说明，本文中的所有术语(包括技术术语和科技术语)应当理解成发明构思所属的技术领域的习惯用法。还将进一步理解的是，通常使用的术语还应当理解成在相关技术中的习惯用法并且不是理想的或完全形式化的含义，除非本文中这样明确定义。
以下，参照附图描述实例性实施例，并且与附图符号无关的相同或对应的元件将以相同的附图标记给出，并且省略重复描述。
图1是图示了根据本发明的实施例的无线功率收发系统的框图。
参见图1，无线功率收发系统可以包括无线功率发送装置100和无线功率接收装置200。与电源连接的无线功率发送装置100在发送天线上施加电能，并且发送天线将电能转换成电磁能并且将电磁能发送到周围。无线功率接收装置200使用接收天线接收从发送天线发送的电磁能，将电磁能转换成电能并且执行充电。
这里，无线功率发送装置100可以例如是发送垫(transmission pad)。另外，无线功率接收装置200可以是便携式终端、家用/个人电子产品、运输工具等的结构的一部分。便携式终端、家用/个人电子产品、运输工具等可以设置成仅包括无线功率接收装置200，或者包括无线功率发送装置100和无线功率接收装置200两者。
这里，无线功率发送装置100可以使用电磁感应方法或谐振法来发送电力。类似地，无线功率接收装置200可以使用电磁感应方法或谐振法来接收电力。
同时，无线功率接收装置200可以包括同时具有无线功率转换(WPC)功能和近场通信(NFC)功能的模块。这里，无线功率接收装置200可以使用包括NFC模块的外部装置300执行NFC。
图2是图示了无线功率发送装置的一部分的示意图，并且图3是图示了无线功率接收装置的一部分的示意图。
参见图2，无线功率发送装置100可以包括发送电路(未示出)、软磁芯110、发送线圈120和永磁体130。
软磁芯110可以包括具有几毫米厚度的软磁材料。另外，永磁体130可以由发送线圈120包围。这里，永磁体130不是必需元件并且可以根据规范而省略。
参见图3，无线功率接收装置200可以包括接收电路(未示出)、软磁层210和接收线圈220。软磁层210可以堆叠在基板(未示出)上。基板可以包括多层固定片材，并且可以与软磁层210连接以固定软磁层210。
软磁层210聚集从无线功率发送装置100的发送线圈120发送的电磁能。
软磁层210可以包括金属材料或铁氧体材料，并且可以以包括球、板、带、箔、膜等各种形式实施。在一个实例中，软磁层210可以是包括镍-锌(Ni-Zn)铁氧体或锰-锌(Mn-Zn)铁氧体的片材、带、箔或膜。在另一个实例中，软磁层210可以是包含铁、钴和镍的至少一种的单金属或合金粉末片的形式或者包含聚合树脂的复合物形式。在又另一个实例中，软磁层210可以是包含铁、钴和镍的至少一种的金属带、合金带、堆叠带、箔或膜。
接收线圈220可以堆叠在软磁层210上。接收线圈220可以在与软磁层210平行的方向上卷绕在软磁层210上。例如，应用于智能手机的接收天线可以具有外径不超过50mm并且内径为20mm或更大的螺旋线圈的形式。接收电路将通过接收线圈220接收的电磁能转换成电能，并且用转换的电能给电池(未示出)充电。
尽管图未示出，软磁层210和接收线圈220之间可以进一步包括热耗散层。在此说明书中，基板、软磁层210和接收线圈220可以统称为接收天线。
当无线功率接收装置200同时具有WPC功能和NFC功能时，NFC线圈230可以进一步堆叠在软磁层210上。NFC天线230可以形成为围绕接收线圈220的外部。
另外，接收线圈220和NFC天线230可以通过端子240彼此电性连接。
当软磁层210是包含铁氧体的片材时，磁导率很好，但是由于高温塑性和磁通量密度的限制而可能存在厚度的限制。另外，当软磁层210是具有包含金属粉末片和聚合树脂的复合形式的片材时，可能有这样的问题：磁导率由于聚合树脂而降低。另一方面，当软磁层210为金属带时，可以由于薄的厚度而获得高磁导率和高磁通量密度。然而，金属带具有的问题是在高频时磁损耗很大。磁损耗也会在包含铁氧体的片材和复合形式的片材以及金属带中发生。
根据本发明的一个实施例，间隙可以以预定间隙形成在软磁层210中以使涡流损耗和退磁场最小化。
图4是图示了通用软磁层和接收线圈的示意图，并且图5是图示了根据本发明的实施例的软磁层和接收线圈的示意图。
参见图4，接收线圈410堆叠在软磁层400上。软磁层400可以是包含铁氧体的片材、复合形式的片材或金属带。当软磁层400是薄膜形式时，在垂直方向和水平方向上的磁性能可能不同。这是由于形状引起的各向异性，并且可能由于各向异性而产生退磁场。由于软磁层400在磁场的方向上更水平并且更长，所以退磁场可能降低。
同时，涡流损耗是在交流磁场中发生的损耗，并且与频率的二次方成比例。涡电流可以以软磁层400的一个大回路401的形状产生。回路401中的磁场变化所产生的涡流电压与流过回路401的横截面的磁通量的变化率成比例。
当软磁层400是金属带时，退磁场和涡流损耗的问题变得甚至更大。
参见图5，根据本发明的实施例，接收线圈510堆叠在软磁层500上。软磁层500可以是包含铁氧体的片材、复合形式的片材或金属带。间隙502可以以预定间隙形成在软磁层500中。因此，涡电流可以以软磁层500的许多小回路501的形状产生。当每个回路501的大小减小时，涡电流会减小并且因此涡流损耗也会降低。尽管图未示出，但是绝缘层可以形成在软磁层500与接收线圈510之间。因此，软磁层500可以与接收线圈510绝缘。
图6是图示了根据本发明的实施例的无线功率接收装置中包括的接收天线的剖视图。
参见图6，软磁层610堆叠在基板600上，并且线圈620堆叠在软磁层610上。线圈620可以是接收线圈或NFC线圈。尽管图未示出，粘合剂片材可以用于软磁层610与线圈620之间的粘合。尽管图未示出，绝缘层可以形成在软磁层610与线圈620之间。
根据实例性实施例，间隙612可以以预定间隔形成在软磁层610中。间隙612指的是在软磁层610的水平方向上的间隔间距，并且可以是与狭缝等可互换使用的术语。这里，线圈620的至少一部分可以设置成与两个间隙之间的间隙612平行。由于形成在软磁层610中的间隙612，涡电流的每个回路的大小变得更小，并且涡电流可以降低。也就是说，软磁层610可以包括以间隙612间隔开的多个子软磁层610-1至610-M。多个子软磁层610-1至610-M可以由间隙612完全分隔开，并且设置在同一平面上。
这里，每个子软磁层610-1至610-M的宽度可以是软磁层610的厚度的1至50倍。例如，当软磁层610的厚度为0.02mm时，每个子软磁层的宽度Wa可以是0.02mm至1mm。由于工艺的约束，不能实施宽度小于0.02mm的软磁层，并且当子软磁层的宽度超过1mm时，高频损耗率会增加并且减小涡流损耗的效果会降低。当软磁层610的厚度为0.01mm时，每个子软磁层的宽度Wa可以是0.1mm至5mm。在此说明书中，子软磁层的宽度可以与间隙间隔互换使用。
同时，每个间隙Wb的宽度可以是0.1mm至1.0mm。如上所述，当子软磁层610-1至610-M由间隙完全分隔开时，能够防止涡电流传输到相邻的子软磁层，并且涡电流会减小。
在基板600与软磁层610之间可以进一步包括支撑夹具630，以支撑形成间隙612的软磁层610。支撑夹具630可以包括粘合剂材料。尽管不受限制，可以通过在支撑夹具630上堆叠软磁层610之后执行切口加工工艺(slitting process)来形成间隙612。
这里，间隙612可以填充有丙烯酸酯基树脂。丙烯酸酯基树脂可以增加支撑夹具630与软磁层610之间的粘合性，并且可以执行子软磁层之间的绝缘。
尽管图未示出，间隙612可以形成为虚线的形状。在这种情况下，软磁层610可以在没有支撑夹具630的情况下固定在基板600与线圈620之间。
同时，子软磁层的宽度Wa可以根据软磁层610的材料、可应用的频带、所需的损耗率等而不同。
图7是图示了根据本发明的实施例的以1mm、0.5mm和0.02mm的宽度形成子软磁层的软磁层的俯视图，图8是图示了基于每个子软磁层的宽度和频率的非晶形金属带的损耗率的测量结果的曲线图，并且图9是图示了基于每个子软磁层的宽度和频率的纳米晶金属带的损耗率的测量结果的曲线图。
参见图7A至图7C，每个子软磁层可以形成有0.02mm至1mm的宽度Wa。每个子软磁层可以具有条带状。这里，随着宽度Wa变窄，形成在软磁层610中的每个回路的大小变得更小，并且在间隙612的边界表面的阻抗变得更大并且涡电流变得更小。
在图8和图9中，水平轴指代频率，垂直轴指代磁导率μ′和损耗率μ"。可以注意到，随着在子软磁层的宽度变窄，涡流损耗降低。
基于软磁层的材料和频率的损耗率(μ"/μ′×100)的模拟结果在以下表1中。这里，将假定软磁层的宽度是0.02mm。
[表1]
参见表1，可以注意到在低频(例如，1MHz)和高频(例如，13.56MHz)，随着非晶形金属带和纳米晶金属带的子软磁层的宽度变窄，涡流损耗降低。
具体地讲，当非晶形金属带用作软磁层的材料并且每个子软磁层的宽度是1mm或更小时，低频的损耗率(μ"/μ′×100)为13.89％或更低，并且高频的损耗率是56.87％或更低。相反，当纳米晶金属带用作软磁层的材料并且每个子软磁层的宽度是1mm或更小时，低频的损耗率(μ"/μ′×100)为11.12％或更低，并且高频的损耗率是45.09％或更低。因此，可以注意到，由于形成间隙的效果在具有薄厚度的纳米晶金属带中更显著。
另外，在没有间隙的情况下，在非晶形金属带中的高频的损耗率为96.92％，在纳米晶金属带中的高频的损耗率为91.12％。相反，当以1mm或更小的间距形成间隙时，也就是说，当每个子软磁层的宽度为1mm或更小时，在非晶形金属带中的高频的损耗率为56.87％或更低，并且在纳米晶金属带中的高频的损耗率为45.09％或更低。因此，当间隙形成在软磁层中时，可以注意到，高频的损耗率显著降低。
另外，在没有间隙的情况下，在非晶形金属带中的低频的损耗率为50.58％，在纳米晶金属带中的低频的损耗率为28.91％。相反，当以1mm或更小的间距形成间隙时，也就是说，当每个子软磁层的宽度为1mm或更小，在非晶形金属带中的低频的损耗率为13.89％或更低，并且在纳米晶金属带中的低频的损耗率为11.12％或更低。因此，当间隙形成在软磁层中时，可以注意到，低频的损耗率也降低。
根据本发明的实施例的子软磁层可以形成为具有0.02mm至5mm的宽度的直线，优选为0.02mm至1mm的宽度。由于工艺的限制，不能实施宽度小于0.02mm的子软磁层，并且当子软磁层的宽度超过1mm时，高频损耗率会增加并且减少涡流损耗的效果可能降低。
写出的说明书阐述了本发明的最佳实施方式。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下并且在不改变本质特征的情况下可以进行各种修改。
Claims (8)
1.一种无线充电的无线功率接收装置的接收天线，所述接收天线包括：
基板；
软磁层，堆叠在所述基板上，包含软磁材料，并且具有预定间隔的间隙；以及
线圈，堆叠在所述软磁层上，并且被配置成接收从无线功率发送装置发送的电磁能，
其中，在所述软磁层上，所述线圈在与所述软磁层平行的方向上卷绕，并且设置在两个间隙之间的所述线圈的至少一部分设置成与所述间隙平行，
其中，所述软磁层包括由所述间隙分隔开的多个子软磁层，
其中，每个所述子软磁层形成有0.02mm至1mm的宽度，并具有条带状，
其中，所述软磁层是金属带，
其中，所述金属带是纳米晶金属带，
其中，所述间隙填充有丙烯酸酯基树脂，
其中，每个所述子软磁层的宽度是所述软磁层的厚度的1至50倍。
2.根据权利要求1所述的接收天线，进一步包括支撑夹具，所述支撑夹具支撑所述软磁层并且设置在所述基板与所述软磁层之间。
3.根据权利要求1所述的接收天线，其中所述多个子软磁层设置在同一平面上。
4.根据权利要求1所述的接收天线，其中所述间隙的宽度为0.1mm至1mm。
5.根据权利要求1所述的接收天线，其中所述间隙形成为虚线的形状。
6.一种无线充电的无线功率接收装置，包括：
基板；
软磁层，堆叠在所述基板上，包含软磁材料，并且具有预定间隔的间隙；
线圈，堆叠在所述软磁层上，并且被配置成接收从无线功率发送装置发送的电磁能；
电路单元，与所述线圈连接，并且被配置成将所述电磁能转换成电能；以及
存储单元，被配置成存储所述电能，
其中，在所述软磁层上，所述线圈在与所述软磁层平行的方向上卷绕，并且设置在两个间隙之间的所述线圈的至少一部分设置成与所述间隙平行，
其中，所述软磁层包括由所述间隙分隔开的多个子软磁层，
其中，每个所述子软磁层形成有0.02mm至1mm的宽度，并具有条带状，
其中，所述软磁层是金属带，
其中，所述金属带是纳米晶金属带，
其中，所述间隙填充有丙烯酸酯基树脂，
其中，每个所述子软磁层的宽度是所述软磁层的厚度的1至50倍。
7.根据权利要求6所述的无线功率接收装置，其中所述间隙形成为虚线的形状。
8.根据权利要求6所述的无线功率接收装置，其中所述间隙的宽度为0.1mm至1mm。
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